与“载人飞船”相关的问题例析，本文主要内容关键词为：载人飞船论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、宇航员的选拔
例1 为了使飞船顺利升空，飞船需要一个加速过程。人们把飞船加速时宇航员对座椅的压力与其静止在地球表面时所受重力的比值，称为耐受力值，用k表示。在选拔宇航员时，要求他在此状态下的耐受力值为4≤k≤12。宇航员杨利伟的k值为10。
（1）试求飞船发射时的加速度值的变化范围。
（2）当飞船沿竖直方向加速升空时，杨利伟需要承受巨大的压力。求在他能够承受的最大压力的情况下，飞船的加速度最大是多少？
解析 （1）宇航员对座椅的压力为F[，N]=kmg。由牛顿第三定律可知，座椅对宇航员的支持力为F[，N]′=kmg。
根据牛顿第二定律，得F[，N]′-mg=ma，a=（k-1）g
所以30m/s[2]≤a≤110m/s[2]。
（2）由题意可知，座椅对宇航员杨利伟的支持力为F[，N]=10mg。
根据牛顿第二定律，得F[，N]-mg=ma
所以a=（k-1）g=9g=90m/s[2]。
二、载人飞船的发射
例2 一质量为6×103kg的火箭从地面竖直向上发射，若火箭喷射燃料气体的速率（相对于地面）为1×10[3]m/s，不考虑空气阻力及火箭质量的变化，求：
（1）每秒需要喷出多少气体，才能满足火箭所需的推力？
（2）每秒需要喷出多少气体，才能使火箭在开始时有20m/s[2]的加速度？（取g=10m/s[2]）
解析 火箭升空是靠喷出的气体对火箭的反作用力推动的。火箭运动是反冲运动，不考虑空气阻力及火箭质量的变化。
（1）火箭所需推力最小值为火箭的重力，这个推力是气体喷出时产生的。取每秒喷出气体的质量为Δm，则有FΔt=Δmv[，0]，F=mg
三、飞船的变轨
例3 根据西安测控中心提供的精确变轨参数，“神舟”五号飞船运行在轨道倾角为42.4°，近地点Q高度为200km，远地点P高度为343km的椭圆轨道上。“神舟”五号飞船运行至第5圈时，要对飞船实施变轨控制，使飞船由入轨时的椭圆轨道，进入圆轨道。实施变轨后，进入343km高的圆轨道，如图1所示。不考虑稀薄气体的影响，下列判断正确的是
A.飞船由Q向P飞行时速度变小
B.飞船由Q向P飞行时速度变大
C.飞船在轨道2上P点时的加速度比飞船在轨道1上P点时的加速度大
D.飞船在轨道2上P点时的速度比飞船在轨道1上P点时的速度大
图1
解析 飞船由Q向P飞行时，所受万有引力与速度方向成钝角，飞船做减速运动，所以速度变小，选项A正确。飞船在轨道2上P点和飞船在轨道1上P点时受力情况一样，只受万有引力作用，所以加速度。a=（F/m）是一样的。飞船要由轨道1上点P进入到轨道2上，需要做离心运动，即要向后喷气以增大速度。所以v[，P2]＞v[，P1]，正确答案为AD。
四、卫星的定点
例4 我国的国土范围在东西方向上大致分布在70°E到135°E之间，所以我国发射的同步通信卫星一般定点在赤道上空3.6×10[4]km、100°E附近。假设某颗通信卫星计划定点在赤道上空104°E的位置，经测量刚进入轨道时位于赤道上空3.6×10[4]km、103°E处。为了把它调整到104°E处，可以在短时间内启动卫星上的小型喷气发动机调整卫星的高度，改变其周期，使其“漂移”到预定经度后，再在短时间内启动发动机调整卫星的高度，实现定点。两次调整高度的方向依次是
A.向下、向上B.向上、向下
C.向上、向上D.向下、向下
解析 为了使卫星相对于地球向东“漂移”，就是说比地球的自转更快一些，即周期更小一些，由
，所以应该减小r，应先向下调整高度，向东“漂移”到达104°E后，再向上调整高度，选A。
五、飞船的运行问题
例5 “神舟”五号载人飞船在绕地球飞行的第5圈时进行变轨，由原来的椭圆轨道变为距地面高度h=343km的圆形轨道。已知地球半径R=6.37×10[3]km，地面处的重力加速度g=10m/s[2]。试导出飞船在上述圆轨道上运行的周期T的公式（用h、R、g表示），然后计算周期的数值。（保留两位有效数字）
解析 设地球质量为M，飞船质量为m，速度为v，圆轨道的半径为r，由万有引力和牛顿第二定律有
六、飞船的返回问题
例6 “神舟”五号飞船完成了预定空间科学和技术试验后，返回舱开始按预定轨道从太空向地球表面返回。返回舱开始时通过自身发动机进行调控以减速下降，穿越大气层后，在一定的高度打开阻力降落伞进一步减速下降。这一过程中，若返回舱所受空气摩擦阻力与其速度的平方成正比，比例系数（空气阻力系数）为k，所受空气浮力恒定不变，且认为竖直降落。从某时刻开始计时，返回舱运动的v-t图像如图2中的AD曲线所示，图中AB是曲线在A点的切线，切线交于横轴一点B，其坐标为（8，0），CD是曲线AD的渐近线。假如返回舱总质量M=400kg，取g=10m/s[2]，求：
（1）返回舱在这一阶段是怎样运动的？
（2）在初始时刻v=160m/s时它的加速度是多大？
（3）推算空气阻力系数k的表达式。
图2
解析 （1）从v-t图像上可以看出物体的速度是减小的，而且曲线的斜率的绝对值也逐渐减小，即其加速度是逐渐减小的，故返回舱做的是加速度减小的减速运动（斜率为负值）。
（2）在速度时间图像中，A的切线斜率大小就等于返回舱开始时的加速度。
所以a=（Δv）/（Δt）=（-160/8）m/s[2]=-20m/s[2]，负号表示返回舱做加减速运动。
（3）设空气浮力大小恒为f，t=0时刻，对返回舱进行受力分析可知，返回舱同时受到重力、空气浮力和空气对返回舱的摩擦阻力的作用。规定向下方向为正，由牛顿第二定律可知
mg-kv[2]-f=ma
从图像可知，最后匀速运动，由平衡条件可知
【跟踪练习】1.一个连同装备总质量为M=100kg的宇航员，在距离飞船s=45m处与飞船处于相对静止状态，宇航员背着装有质量为m[，0]=0.5kg氧气的储气筒。储气筒上有个可以使氧气以相对于飞船为v=50m/s的速度喷出的喷嘴，宇航员必须向返回飞船的相反方向放出氧气，才能回到飞船，同时又必须保留一部分氧气供途中呼吸用，宇航员的耗氧率为Q=2.5×10[-4]kg/s，不考虑喷出氧气对设备及宇航员总质量的影响。
（1）已知超氧化钾（KO[，2]）的性质与N[，a2]O[，2]相似，若该宇航员储气筒里的O[，2]由超氧化钾提供，试写出化学反应方程式，并求出需用多少kg超氧化钾？
（2）瞬时喷出多少kgO[，2]，宇航员才能安全返回飞船？
（3）为了使总耗氧量最低，应一次喷出多少O[，2]？返回时间又是多少？（设在一段很短的圆弧上，飞船可视做匀速直线运动。）
2.“神舟”五号轨道舱在轨道上运行时，由于受太阳风暴的影响，逐渐偏离预定轨道。在启动轨道舱上的动力装置后，适当地提高了轨道舱的运行高度，保证了它的正常工作。提高“神舟”五号飞船轨道舱的运行高度可能采取的措施有
A.考虑启动火箭发动机向后喷气，通过反冲作用从较低轨道上使卫星加速
B.考虑启动火箭发动机向后喷气，通过反冲作用从较低轨道上使卫星减速
C.该卫星提高高度后的轨道与前一轨道相比，速率增大，机械能增大
D.该卫星提高高度后的轨道与前一轨道相比，周期增大，加速度增大
【参考答案】
1.（1）4KO[，2]+2CO[，2]=2K[，2]CO[，3]+3O[，2] 1.48kg
（2）0.05kg≤M≤0.45kg （3）0.15kg 600s
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